Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

In veel delen van de wereld is de meest praktische manier om een huis te bouwen het gebruik van de aarde zelf. Gecomprimeerde aardestenen, die in essentie bakstenen zijn gemaakt van grond die stevig in mallen is samengeperst, bieden een goedkoop en duurzaam alternatief voor gebakken kleistenen of beton. De ruwe grond is echter zwak en brokkelig wanneer het nat wordt, dus mengen bouwers er traditioneel een bindmiddel doorheen om het bij elkaar te houden. Decennialang was de standaardkeuze gewone Portlandcement, een materiaal dat uithardt tot een steenachtige structuur, maar een zware milieuvoetdruk met zich meebrengt vanwege de enorme hoeveelheid koolstofdioxide die vrijkomt tijdens de productie ervan. Terwijl de wereld op zoek is naar groenere bouwmethoden, heeft de wetenschap haar aandacht gericht op een ander soort bindmiddel: geopolymeer. Dit materiaal wordt gecreëerd door lokale klei te mengen met een sterke alkalische oplossing, wat een chemische reactie teweegbrengt die de klei verandert in een harde, rotsachtige substantie zonder de noodzaak voor hoogtemperatuurverhitting. De vraag waar onderzoekers voor staan, is of deze nieuwe, koolstofarme aanpak werkelijk kan voldoen aan de prestaties van traditioneel cement, vooral in de vochtige, tropische klimaten waar deze gebouwen het hardst nodig zijn.

Een team van onderzoekers uit Kameroen en Duitsland zette zich in om deze vraag te beantwoorden door twee soorten gestabiliseerde aardestenen direct met elkaar te vergelijken. Ze namen een specifiek type rode, kleirijke grond die bekend staat als lateriet, die gebruikelijk is in de regio, en bereidden deze voor op twee verschillende manieren. Voor de eerste groep blokken mengden ze de grond met gewone Portlandcement. Voor de tweede groep gebruikten ze een geopolymeerbinder gemaakt van kaolien, een type klei dat eerst tot een hoge temperatuur werd verhit om chemisch reactief te worden, en vervolgens werd gemengd met een vloeibare alkalische oplossing. Ze maakten blokken met verschillende hoeveelheden van deze bindmiddelen, variërend van vijf tot tien procent van het totale gewicht, en perste deze in solide vormen met een zware machine. Nadat de blokken een week en twee weken hadden uitgehard, onderwierp het team hen aan een reeks strenge tests om te zien hoe sterk ze waren, hoeveel water ze absorbeerden en hoe hun interne structuren er onder een microscoop uitzagen.

De resultaten toonden een duidelijke splitsing in prestaties, afhankelijk van welke vorm van kracht het belangrijkst was. Wanneer de onderzoekers testten hoeveel gewicht de blokken konden dragen voordat ze verbrijzelden, bleken de geopolymeerblokken de sterkere tegenstander te zijn. Bij het hoogste bindmiddelniveau van tien procent en na twee weken uitharden, konden de geopolymeerblokken een drukkracht van 10,62 megapascal weerstaan wanneer ze droog waren, en een indrukwekkende 10,12 megapascal zelfs nadat ze in water waren geweekt. In contrast hiermee konden de cementblokken op hetzelfde niveau slechts 8,12 megapascal aan bij droogte, en daalden ze naar 6,75 megapascal wanneer ze nat waren. Dit verschil is significant omdat het aantoont dat de geopolymeerblokken niet alleen sterker begonnen, maar ook veel beter standhielden bij blootstelling aan vocht, waarbij ze zeer weinig kracht verloren. De cementblokken leden echter aan een veel grotere afname van sterkte wanneer ze nat werden, wat suggereert dat ze kwetsbaarder zijn voor erosie en schade veroorzaakt door hevige regenval.

Het verhaal was anders toen de onderzoekers de blokken testten op flexibiliteit, oftewel hun vermogen om te buigen zonder te breken. Op dit gebied namen de traditionele cementblokken de leiding. De met cement gestabiliseerde blokken konden een buigkracht van 4,22 megapascal weerstaan, terwijl de geopolymeerblokken slechts 2,81 megapascal haalden. Dit geeft aan dat hoewel het geopolymeer een zeer hard en dicht materiaal creëert dat bestand is tegen verbrijzeling, het brosser is en minder goed in staat is om de soort draai- of buigkrachten op te vangen die kunnen optreden tijdens een aardbeving of bij een ongelijke verzakking van de grond. Het cement behoudt in vergelijking daarmee iets meer flexibiliteit, waardoor het spanning kan absorberen zonder zo gemakkelijk te breken.

Om te begrijpen waarom deze twee materialen zo verschillend gedroegen, keken de onderzoekers in de blokken met behulp van gespecialiseerde beeldvormingsinstrumenten die de rangschikking van atomen en moleculen onthullen. Ze ontdekten dat de cementblokken de verwachte chemische producten van cementhydratatie bevatten, samen met enkele niet-gereageerde cementdeeltjes die niet volledig waren gemengd vanwege het lage watergehalte dat bij het maken van de stenen werd gebruikt. De geopolymeerblokken vertoonden echter een ander intern landschap. In plaats van cementkristallen bevatten ze een dichte, amorfe gel—een substantie die geen rigide kristalstructuur heeft maar de gronddeeltjes stevig aan elkaar bindt. Deze gel ontstond omdat de verhitte kaolien met de alkalische oplossing reageerde om een nieuwe, driedimensionale netwerkstructuur te creëren. Dit netwerk was zo effectief in het vullen van de kleine openingen tussen de gronddeeltjes dat de geopolymeerblokken dichter en minder poreus eindigden dan de cementblokken. Ze absorbeerden aanzienlijk minder water, waarbij de beste geopolymeerstalen slechts ongeveer negen procent van hun gewicht aan water opnamen, vergeleken met bijna twaalf procent voor de cementstalen.

De studie concludeert dat geen van beide materialen een perfecte vervanging is voor de ander in elke situatie, maar dat het geopolymeer een overtuigend alternatief biedt voor specifieke behoeften. Voor bouwers in tropische regio's waar zware regenval een constante dreiging vormt, bieden de geopolymeerblokken een superieure weerstand tegen waterschade en een hogere druksterkte, waardoor ze uitstekend zijn voor dragende muren die droog en solide moeten blijven. Echter, voor toepassingen waarbij de structuur moet kunnen meebewegen of weerstand moet bieden aan buigkrachten, behoudt het traditionele cement nog steeds het voordeel. Het onderzoek toont aan dat het door het gebruik van lokaal beschikbare materialen en een koolstofarm chemisch proces mogelijk is om aardestenen te creëren die niet alleen milieuvriendelijk zijn, maar ook technisch superieur zijn qua duurzaamheid en waterstabiliteit. Dit werk suggereert dat de toekomst van duurzame huisvesting in deze regio's kan liggen in het kiezen van het juiste bindmiddel voor de juiste taak, in plaats van te vertrouaien op één universele oplossing.